丁 英

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 432000)

0 前 言

大規(guī)模沉降是路基病害中最普遍且最影響路面安全的病害之一，尤其在地質(zhì)條件不佳的軟土區(qū)，由于地基土本身不穩(wěn)定的特性，極易使路基產(chǎn)生較大的不均勻沉降現(xiàn)象，泡沫輕質(zhì)土的研發(fā)與應(yīng)用為軟土區(qū)路基的建設(shè)施工提供了解決方案。泡沫輕質(zhì)土是由水、水泥和氣泡按一定比例進(jìn)行混合攪拌形成的輕型填土材料，由于氣泡的存在，泡沫輕質(zhì)土自身容重較小，質(zhì)量密度、滲透性及吸水性較低，但自身強(qiáng)度較高，故相對(duì)于常規(guī)填土方式，泡沫輕質(zhì)土對(duì)地基承載力的要求較低，因此，泡沫輕質(zhì)土常被用作軟土區(qū)路基的填筑材料。楊瑩對(duì)泡沫輕質(zhì)土在高填幫寬路基中的應(yīng)用展開(kāi)研究，依托現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的是測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了泡沫輕質(zhì)土對(duì)新老路堤搭接處產(chǎn)生的附加應(yīng)力，并與普通填土進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了泡沫輕質(zhì)土在高填幫寬路基施工中的優(yōu)越性[1]；許江波等對(duì)泡沫輕質(zhì)土的合成材料進(jìn)行分析，探討了聚丙烯纖維對(duì)于提高泡沫輕質(zhì)土彈性模量的有效性，通過(guò)循環(huán)加卸載的方式分析了泡沫輕質(zhì)土的內(nèi)部損傷規(guī)律[2]；葉咸等以復(fù)雜地質(zhì)條件下的高填方段路基為研究對(duì)象，探討了該類(lèi)工程條件下泡沫輕

質(zhì)土填筑方案的可行性[3]；蔡歷穎等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)泡沫輕質(zhì)土在軟土路基中的性能展開(kāi)分析，得到了軟土區(qū)泡沫輕質(zhì)土填筑路基的沉降規(guī)律[4]；駱永震等基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)加筋泡沫輕質(zhì)土在路基施工中的應(yīng)力變形展開(kāi)研究，提出了加筋泡沫輕質(zhì)土的最佳加緊率確定方法[5]。

1 工程概況

經(jīng)開(kāi)至漢南一體化全力三路改造項(xiàng)目高速公路二標(biāo)段路線總長(zhǎng)27.35 km，主線采用雙向八車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，最高設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，路基寬度為42 m，輔道最高設(shè)計(jì)時(shí)速為50 km/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察、地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)取樣巖土試驗(yàn)，主要巖層類(lèi)型有素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、和強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，由于原路基土質(zhì)多為人工素填土、粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土，采用常規(guī)填土方式提高原有路基土體模量成本較高，為消除原軟土路基不良地質(zhì)在修建高速公路路基時(shí)的影響，使回填后的土體性質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工程采用泡沫輕質(zhì)土對(duì)路堤進(jìn)行分層填筑。對(duì)原人工素填土進(jìn)行置換回填，泡沫輕質(zhì)土總填筑高度為3 m，每次按1 m高度進(jìn)行填筑，總計(jì)3次填筑。泡沫輕質(zhì)土置換回填區(qū)域上覆素混凝土保護(hù)層和路面結(jié)構(gòu)層，下設(shè)路基墊層，以減小路基工后沉降。

2 數(shù)值模型

對(duì)該工程建立數(shù)值計(jì)算模型，模型上邊界取至路基結(jié)構(gòu)層頂部，下邊界深度取20.25 m，左右寬度取35 m，路堤邊坡按1∶1.5系數(shù)進(jìn)行放坡處理。各地層深度分布為：路面結(jié)構(gòu)層0.75 m，素混凝土保護(hù)層0.2 m，泡沫輕質(zhì)土置換回填區(qū)分三次填筑共計(jì)3 m，路基墊層0.3 m，粉質(zhì)黏土區(qū)深度3 m，淤泥質(zhì)土區(qū)深度5 m，強(qiáng)風(fēng)化泥巖區(qū)深度8 m。主要土層巖土材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

基于Abaqus平臺(tái)對(duì)泡沫輕質(zhì)土在軟土路基中的分層填筑施工過(guò)程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，由于路基結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則定義各土層材料屬性。模型上邊界不設(shè)約束，對(duì)兩側(cè)邊界進(jìn)行法向約束，對(duì)底部邊界進(jìn)行切向和法向共同約束，采用CPE4R四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元和CPE3三節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?nèi)切螁卧餐M(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用Abaqus中的Model Change功能對(duì)分層澆筑的泡沫輕質(zhì)土單元進(jìn)行殺死與激活操作。模型共劃分2 838節(jié)點(diǎn)，2 731單元。

3 沉降分析

由于路基中土層分布的多樣性，分層填筑模擬前需要對(duì)模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，消除由模型自身重力場(chǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，實(shí)現(xiàn)模擬前單元內(nèi)部位移清零。采用Abaqus中GEOSTATIC功能對(duì)分層填筑前的路基基礎(chǔ)進(jìn)行地應(yīng)力平衡，根據(jù)路基地應(yīng)力平衡結(jié)果可知，泡沫輕質(zhì)土分層填筑前，路基模型內(nèi)部位移幾乎趨近于零，滿足模擬條件。

由第一層泡沫輕質(zhì)土填筑后的路基沉降云圖可知第一層泡沫輕質(zhì)土填筑完成后路基最大沉降出現(xiàn)在路基中線基底位置，沉降量為5.7 mm，沉降數(shù)值隨著深度的增加呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，越靠近路基兩側(cè)處沉降量越小，路基邊線沉降量?jī)H為3.2 mm左右。

由第二層泡沫輕質(zhì)土填筑后的路基沉降云圖可知第二層泡沫輕質(zhì)土填筑完成后路基最大沉降出現(xiàn)在第一層泡沫輕質(zhì)土位置，沉降量約為11.3 mm。第二層泡沫輕質(zhì)土填筑完畢后，填筑層頂面沉降量?jī)H為4.5 mm左右，相較于第一層填筑，第二層泡沫輕質(zhì)土填筑時(shí)路基表面所受到的沉降影響開(kāi)始變小。

第三層泡沫輕質(zhì)土填筑后的路基沉降云圖，由圖可知第三層泡沫輕質(zhì)土填筑后，路基內(nèi)沉降峰值出現(xiàn)區(qū)域出現(xiàn)小幅度上移，沉降云圖以第一層與第二層填筑區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹軘U(kuò)散，沉降量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，此時(shí)路基沉降峰值為16.9 mm，路基中線頂面沉降量為5.2 mm。

素混凝土保護(hù)層及路面結(jié)構(gòu)層施工完畢后的路基沉降云圖，由圖可知此時(shí)路基最大沉降區(qū)域并未發(fā)生明顯變化，沉降數(shù)值存在一定程度的增加，泡沫輕質(zhì)土層最大沉降量達(dá)36.7 mm。路面中線處相較兩側(cè)沉降量較大，中線位置沉降量為19.5 mm左右，兩側(cè)沉降量為8.92 mm左右，路面整體呈現(xiàn)出馬鞍形沉降。

4 參數(shù)分析

由于泡沫輕質(zhì)土可針對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境對(duì)材料配合比進(jìn)行一定的改動(dòng)，以改變自身力學(xué)特性適應(yīng)不同地質(zhì)條件的要求，為研究不同力學(xué)特性下分層填筑泡沫輕質(zhì)土對(duì)路基沉降的影響，對(duì)泡沫輕質(zhì)土部分力學(xué)特性展開(kāi)參數(shù)分析，得到各參數(shù)在一定變化范圍路面中線沉降曲線，分析其變化規(guī)律。

圖1給出了泡沫輕質(zhì)土彈性模量改變時(shí)路基中線的沉降變化曲線，由圖2可知，隨著泡沫輕質(zhì)土彈性模量由100 MPa增加至250 MPa，施工完畢后的路面中線位置沉降量由23.14 mm降低至18.75 mm，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，根據(jù)圖中變化趨勢(shì)，隨著彈性模量的逐漸變大，沉降量減少幅度開(kāi)始逐漸降低，彈性模量在100～150 MPa之間變化對(duì)路面中線處的沉降影響最大。

圖1 彈性模量影響曲線

圖2 粘聚力影響曲線

圖2給出了泡沫輕質(zhì)土粘聚力改變時(shí)路基中線的沉降變化曲線，由圖2可知，泡沫輕質(zhì)土粘聚力由100 kPa增加至250 kPa時(shí)，路面中線位置沉降量并未發(fā)生明顯變化，分析原因?yàn)樵撜尘哿ψ兓秶鷥?nèi)的泡沫輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度較高，故在此范圍內(nèi)的粘聚力數(shù)值變化不會(huì)對(duì)沉降數(shù)值產(chǎn)生明顯影響。

圖3給出了泡沫輕質(zhì)土泊松比改變時(shí)路基中線的沉降變化曲線，由圖3可知，泡沫輕質(zhì)土泊松比由0.28增加至0.4時(shí)，路面中線的沉降量由20.98 mm減少至17.25 mm，可見(jiàn)隨著泡沫輕質(zhì)土泊松比的增大，路面中線處沉降量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，根據(jù)圖中沉降曲線的變化趨勢(shì)可以推測(cè)，在一定變化范圍內(nèi)隨著泊松比的逐漸增加，路面中線沉降量變化趨勢(shì)變得愈發(fā)明顯。

圖3 泡沫輕質(zhì)土沉降變化曲線

4 結(jié) 論

(1)使用泡沫輕質(zhì)土用于軟土路基填筑時(shí)，其沉降規(guī)律與普通填土路基相同，路基中線沉降較大，兩側(cè)沉降較?。?/p>

(2)泡沫輕質(zhì)土用于軟土路基分層填筑時(shí)其沉降最大區(qū)域位于第一層填筑區(qū)和第二層填筑區(qū)中部，路面結(jié)構(gòu)層施工后其最大沉降量為36.7 mm；

(3)泡沫輕質(zhì)土的彈性模量和泊松比均對(duì)施工后路面中線沉降量有一定影響，隨著彈性模量和泊松比的增加，路面中線處沉降量均存在一定程度的降低，而粘聚力在100～250 kPa范圍內(nèi)變化時(shí)，路面中線處沉降無(wú)明顯變化。